Комплексное исследование технологий модификации свойств растительных белков с применением интеллектуального анализа данных

На мировом рынке наблюдается прогрессивный рост производства белков из растительного сырья, согласно прогнозам, к 2027 году рынок растительных белков достигнет 17,4 млрд долларов [1]. Согласно исследованиям ученых, процесс их производства экономически рентабелен, экологически безопасен и отвечает современным требованиям потребителей на «зеленую этикетку» [2, 3].

Объем российского рынка растительных протеинов в 2024 году составил 185,4 тыс. тонн при ежегодном возрастании объемов производства на 3 %; к 2035 году данный показатель достигнет 215,6 тыс. тонн еже- годно. В России использование растительных белков в продуктах питания остается невысоким и не превышает 10 % от общих объемов потребления. Эксперты связывают сдержанные темпы роста рынка белка из растительных ресурсов в нашей стране со слабо сформированной культурой их потребления и высокой стоимостью по сравнению с традиционными источниками белка [4]. Однако в настоящее время наблюдается дефицит качественных белковых компонентов, которые востребованы в отраслях агропромышленного сектора, пищевой промышленности, для производства продуктов специализированного питания [5].

Использование растительных белков ограничивается рядом факторов: несбалансированностью аминокислотного состава; высокой аллергенностью; значительной концентрацией антипитательных факторов (лектины, ингибиторы протеаз, фитоэстрогены, стахиоза, раффиноза, фитаты, микротоксины), а также низкой усвояемостью и неудовлетворительными функционально-технологическими свойствами [6]. Для нивелирования данных негативных эффектов применяют разнообразные подходы для модификации структуры и свойств белков путем конформации или фрагментации полипептидной цепи химическими, физико-химическими и биотехнологическими методами.

Целью данного исследования являлось проведение комплексного обзора существующих технологий выделения и модификации белковых компонентов из растительных ресурсов с применением интеллектуальных методов анализа.

Методы анализа

Был проведен поиск научных публикаций на платформе ScienceDirect по запросу “Plant Proteins” за период 2000–2026 гг., полученные данные систематизированы по странам и по годам публикации. Для анализа наиболее авторитетных публикаций в данной области и построения связей с другими исследованиями был проведён семантический анализ с использованием интеллектуального сервиса “Litmaps” (litmaps.com) .

Результаты анализа

Поиск новых технологий альтернативных источников белка в последние годы приковывает внимание ученых из разных стран и является одним из наиболее запрашиваемых и цитируемых направлений в научном мире. На платформе ScienceDirect по запросу “Plant Proteins” всего было найдено 340 400 публикаций, в том числе в категории “Review Articles” – 63200; “Research Articles” – 241 815; “Book Chapters” – 34 890 публикация (рис. 1). Наиболее активно научные исследования в данном направлении проводятся в таких странах, как Китай и США (установлено более 14 000 публикаций с 2020 по 2025 год), в то время как в Индии, в странах Евросоюза и в России количество публикаций за последние пять лет составило от 900 до 4900. Ежегодно наблюдается линейный рост количества публикаций с 38 300 в 2020 году до 71 200 в 2025 году.

Проведен семантический анализ публикаций по теме “Plant Proteins” с использованием интеллектуального сервиса “Litmaps”, который осуществляет поиск по ключевым словам и по сети цитирования. На рис. 2 приведено 20 наиболее цитируемых публикаций в данной области научных исследований, причем наиболее рейтинговые статьи насчитывают от 644 до 187 цитирований. Такие авторы, как Jiang et al., 2014; Zhu et al., 2018; Akharume et all., 2021 доказали возможность модификации структуры и функционально-

Рис. 1. Распределение публикаций по годами и странам за последние 5 лет

• Functional properties

• Ultrasound

• Plant protein

• Modification

• Cereals

Avelar. 2021

Das. 2022

hang. 2014

W ZKu. 2018

Martinez-Velasco, 2018

Alavi>2021

Akharume, 2021

Rojas,’2022

Cha?^9e?oa-Gonzalez 20^> !

Jtf/^A'V < Ouerros. 2018

Ravindran. 2024

Tan. 2021

Wang. 2024

Tang. 2023

Dash. 2022

Yu. 2024

7—• Kaur, 2023

Ferreira. 2023

Hu. 2025

Tziva, 2023

MORE REFERENCES

Рис. 2. Семантическая карта взаимосвязи научных публикаций на сервисе Litmaps технологических свойств растительных белков с применением различных методов, в том числе ферментативного гидролиза и ультразвукового воздействия [7–11].

Широкий перечень растительных культур, таких как бобовые, злаковые, масличные, ореховые, является сырьевым ресурсом для получения белковых добавок. Выбор растительного сырья определяет последовательность и параметры технологических стадий, методы выделения белка, а также влияет на свойства и пищевую ценность конечного продукта.

Согласно статистическим данным, более 70 % общего мирового объема рынка растительного белка приходится на соевый и пшеничный белки, которые применяются в рецептуре наиболее востребованных продуктов питания, а также в составе аналогов мясных и молочных продуктов [12]. Однако установлено, что компоненты, полученные при переработке сои и пшеницы, относятся к самым распространенным пищевым аллергенам (до 90 % пищевых аллергических реакций), а также характеризуются высоким содержанием антипитательных факторов [13].

К одной из задач Стратегии развития пищевой промышленности Российской Федера- ции относится поиск технологии глубокой переработки возобновляемых биоресурсов и производство новых видов пищевых ингредиентов. Вторичные ресурсы масличного производства характеризуются значительным потенциалом с точки зрения получения компонентов с высокой добавленной стоимостью, жмыхи и шроты отличаются высоким содержанием белковых фракций, содержат остаточные количества полиненасыщенных жирных кислот и биологически активных соединений – каротиноидов, фенольных соединений, токоферолов и фитостеролов [14, 15].

Выделение из вторичных ресурсов и переработка растительных белков включает физико-химическую, термическую, ферментативную обработку, которая влияет как на питательную ценность, усвояемость белковых компонентов, так и на их функциональные свойства [8, 16]. При разработке «зеленых технологий» исследования направлены на внедрение нетепловых и экологически чистых методов эффективной экстракции белковых фракций. Основной задачей при поиске новых технологий являются повышение биодоступности, минимизация протеолиза и изменений нативной структуры белковых фракций во время переработки, а также снижение концен- трации антипитательных компонентов [10, 17]. Немаловажным фактором при поиске новых технологий является соответствие принципу экономической эффективности, сокращение продолжительности технологических этапов при сохранении высокого выхода конечного продукта, отвечающего критериям качества и безопасности, а также потребностям производителей [8, 19].

Биотехнологическая модификация растительных белков с использованием ферментов коммерческих штаммов микроорганизмов или изолированных ферментных препаратов отличается высокой специфичностью, воспроизводимостью и экологичностью по сравнению с химическими и физико-химическими методами [6]. При этом важными факторами процесса модификации белковых компонентов являются тип фермента, его концентрация, параметры гидролиза и тип сырьевого ресурса. Ферментативная обработка растительных белков улучшает их функциональнотехнологические свойства и усвояемость, позволяет получать биоактивные пептиды, которые обладают доказанными антиоксидантными, антипролиферативными, антидиабетическими, антимикробными, гипохолестерино-выми и иммуномодулирующими свойствами [16, 20].

Комбинированная обработка растительных биоресурсов, включающая комбинацию методов нетермической обработки (ультразвуковая, холодной плазмой, высоким давлением) с применением рН сдвига или ферментативного гидролиза, рекомендуется как высокоэффективная технология, позволяющая направленно регулировать технологические свойства белковых компонентов (растворимость, ВСС, ВУС, ЭС, ЖУС) и их функциональность [9, 17, 18].

Техническая конопля ( Cannabis sativa L. ) является привлекательным источником растительного белка, - не вызывает пищевых аллергий и относится к возобновляемым ресурсам с многообещающим потенциалом благодаря своей универсальности, быстрому росту и положительному влиянию на окружающую среду. С 1996 года были одобрены сорта с содержанием тетрагидроканнабинола (ТГК) менее 0,3 %, интерес к конопле в пищевой промышленности неуклонно растет, что облегчает ее выращивание в различных странах. В 2025 году мировой рынок технической конопли достиг отметки в 26,6 миллиарда долларов.

Техническая конопля широко используется в пищевой промышленности для получения масла, муки и белковых компонентов [21, 22].

Цельные семена конопли, содержащие около 25 % легкоусвояемых белков, обладают заметными преимуществами с точки зрения питательной ценности благодаря отсутствию ингибиторов протеаз, сбалансированному аминокислотному составу, высокой усвояемости и биодоступности. Запасные белки семян конопли включают эдестин (в форме 11S-глобулина, до 60-80 % от общего количества белка) и альбумин (в форме 2S-глобулина, до 25 % от общего содержания белков). Эдестин и альбумин являются ценным источником незаменимых аминокислот, особенно серосодержащих аминокислот и аргинина [23]. Белковые концентраты и изоляты из семян конопли характеризуются биологической активностью, в том числе антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, оказывают гипохолестеринемическое действие [24].

На характеристики белков и их функциональные свойства в значительной степени влияют различные факторы, такие как генотип растения, химическая структура и комплексные взаимодействия с компонентами пищевой матрицы, а также способ выделения и обработки [25]. Для формирования требуемых характеристик белка из семян конопли применяют разные методы и стадии обработки [23, 26].

• 1.    Механические методы обработки: удаление оболочки и выделение ядра (мицелли-зация), при этом снижается содержание анти-питательных веществ, пищевых волокон и пигментов; прессование - отделение липидной фракции, значительно повышается концентрация белка. Стадии измельчения и просеивание - отделяют оболочечные и крахмалистые фракции, сохраняется нативная структура белковых молекул.

• 2.    Физико-химические методы обработки, к которым относят солевую или щелочную экстракцию белковых компонентов при нагревании, при этом происходит осаждение белков, чувствительных к уровню рН среды, конформация структуры эдестина и альбумина, изменяются их биодоступность, растворимость, водоудерживающие, эмульгирующие и пенообразующие свойства.

• 3.    Физические методы обработки, к которым относятся ультразвуковое воздействие и обработка холодной плазмой, являются наибо-

• лее экологичными биотехнологиями, которые оказывают ограниченное влияние на субъединицы белков семян конопли, позволяют сохранить их молекулярную структуру и биоактивные свойства. Рекомендуется комбинировать данные методы с механической обработкой или биотехнологической модификацией.

Заключение

Поиск новых технологий альтернативных источников белка является одним из наиболее запрашиваемых и цитируемых направлений в научном мире. Согласно данным интеллекту- ального анализа, установлено более 340 тысяч публикаций в данной области, число которых ежегодно прогрессивно возрастает. Белок из семян технической конопли отличается сбалансированным аминокислотным составом, высокой биодоступностью и биоактивными свойствами, в связи с этим комплексный анализ существующих технологий и разработка новых методов выделения и регулирования технологических и функциональных свойств белка является важной задачей современной экономики.